CN114227546A - 一种实现表面精细结构的抛光方法及装置 - Google Patents

一种实现表面精细结构的抛光方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种实现表面精细结构的抛光方法，包括以下步骤：(1)向被抛光面供给含有抛光颗粒的抛光液；(2)将脉冲激光器对准扩束器得到扩束后的脉冲激光束；(3)将扩束后的脉冲激光束对准模板上的小孔得到具有特定图案的脉冲激光束；(4)将具有特定图案的脉冲激光束对准聚焦透镜组得到聚焦后的脉冲激光束；聚焦后的脉冲激光束入射到透明导流板，作用于抛光液流层。本发明还提供一种实现表面精细结构的抛光方法的装置。本发明将聚焦透镜将脉冲激光能量汇聚到一个较小的区域，有效圈定需要实现的抛光区域，实现定区域抛光，从而实现对表面具有精细激结构器件的超精密抛光。

Description

一种实现表面精细结构的抛光方法及装置
技术领域
本发明涉及超精密抛光加工技术领域，尤其涉及一种实现表面精细结构的抛光方法及装置。
背景技术
基于射流技术的抛光方法可以实现各种材料，特别是超硬材料的精密抛光，通过抛光颗粒在射流下获得的动量，可以有效去除被抛光表面的突出部分。然而这种技术对于抛光去除量的控制仅限于控制射流的速度，抛光液配比，喷嘴距离被抛光表面的距离等有限手段，对于表面具有精细结构的器件，难以实现预定的抛光效果。特别是对于表面具有精细结构的器件，传统的抛光技术在针对表面由精细结构器件的抛光方面有很大的局限性。例如，图1是具有表面精细器件的示意图，图中的条纹凹槽宽度可在微米级，凹槽的深度也可在微米到毫米级。传统的抛光方法在抛光这种器件时，将不可避免地将凹槽上端及测面一起进行抛光。
发明内容
为克服上述问题，本发明提供一种实现表面精细结构抛光的装置。
本发明的第一个方面提供一种实现表面精细结构的抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)向被抛光面供给含有抛光颗粒的抛光液，抛光液通过设置在被抛光面前侧的透明导流板整流，使得抛光液以与被抛光面平行的方向快速流动形成抛光液流层；
(2)将脉冲激光器对准扩束器，脉冲激光器输出的脉冲激光束经过扩束后得到扩束后的脉冲激光束；
(3)将扩束后的脉冲激光束对准模板上的小孔，所述小孔的形状投影到被抛光面，处于该投影区域内的被抛光面能得到有效抛光；扩束后的脉冲激光束经过模板的小孔后得到具有特定图案的脉冲激光束；
(4)将具有特定图案的脉冲激光束对准聚焦透镜组，经过聚焦后得到聚焦后的脉冲激光束；聚焦后的脉冲激光束入射到透明导流板，并在透明导流板的后表面形成一个聚焦光斑；透明导流板后侧的抛光液流层吸收激光脉冲能量在瞬间产生热膨胀，导致抛光液流层在各个方向膨胀，其中，沿与脉冲激光束方向平行且垂直于被抛光面方向的膨胀将动能传递给抛光液中的抛光颗粒，使抛光颗粒获得一个向被抛光面方向的动量，并使抛光颗粒与被抛光面产生碰撞，实现特定区域、特定图案的抛光。
本发明的第二个发明提供一种实现表面精细结构的抛光装置，包括沿光路依次设置的脉冲激光器、扩束器、模板、成像系统、透明导流板和被抛光件；脉冲激光器输出脉冲激光束，脉冲激光束经由扩束器扩束处理后输出扩束后的脉冲激光束；扩束后的脉冲激光束经模板上的小孔后，输出具有特定图案的脉冲激光束；具有特定图案的脉冲激光束射入成像系统，成像系统进行聚焦处理后输出聚焦后的脉冲激光束；
所述被抛光件竖直设置，被抛光件的前侧设有竖直的透明导流板；透明导流板的上方设有射流喷嘴，射流喷嘴向下喷出抛光液，抛光液以90度入射到透明导流板的上方，抛光液沿透明导流板的后表面形成抛光液流层，抛光液流层与被抛光件的被抛光面平行；所述聚焦后的脉冲激光射入透明导流板作用于抛光液流层。
优选地，所述成像系统包括聚焦透镜组，聚焦透镜组包括沿光路依次设置的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜。
优选地，所述模板上小孔的形状是圆形、方形、三角形、菱形或十字形。
本发明的有益效果是：
1.透明导流板有效约束抛光液在被抛光表面的动量方向
2.透明导流板将激光能量有效耦合到抛光液流层中，并产生快速碰撞，将能量传递给抛光颗粒，使抛光颗粒产生可控的沿垂直于被抛光面的动量，从而实现有效点量抛光
3.聚焦透镜将脉冲激光能量汇聚到一个较小的区域，以实现表面精细定量抛光。
4.模板上的图案孔将需要实现的抛光区域有效圈定，实现定区域抛光，从而实现对表面具有精细激结构器件的超精密抛光。
5.抛光液喷嘴与抛光导流板的结合使用，实现有效的沿被测抛光表面恒定的抛光液流层。
附图说明
图1是表面具有凹槽的被抛光件的结构示意图。
图2a是本发明的结构示意图。
图2b是本发明中模板的侧视图。
图3是本发明中抛光区域内产生的热膨胀波示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的第一个实施例提供一种实现表面精细结构的抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)向被抛光面供给含有抛光颗粒的抛光液，抛光液通过设置在被抛光面前侧的透明导流板整流，使得抛光液以与被抛光面平行的方向快速流动形成抛光液流层；
(2)将脉冲激光器对扩束器，脉冲激光器输出的脉冲激光束经过扩束后得到扩束后的脉冲激光束；
(3)将扩束后的脉冲激光束对准模板上的小孔，所述小孔的形状投影到被抛光面，处于该投影区域内的被抛光面能得到有效抛光；扩束后的脉冲激光束经过模板的小孔后得到具有特定图案的脉冲激光束；
(4)将具有特定图案的脉冲激光束对准聚焦透镜组，经过聚焦后得到聚焦后的脉冲激光束；聚焦后的脉冲激光束入射到透明导流板，并在透明导流板的后表面形成一个聚焦光斑；透明导流板后侧的抛光液流层吸收激光脉冲能量在瞬间产生热膨胀，导致抛光液流层在各个方向膨胀，其中，沿与脉冲激光束方向平行且垂直于被抛光面方向的膨胀将动能传递给抛光液中的抛光颗粒，使抛光颗粒获得一个向被抛光面方向的动量，并使抛光颗粒与被抛光面产生碰撞，实现特定区域、特定图案的抛光。
本发明的第二个实施例提供一种实现表面精细结构抛光的装置，包括沿光路依次设置的脉冲激光器1、扩束器2、模板3、成像系统4、透明导流板5和被抛光件6；脉冲激光器1输出脉冲激光束7，脉冲激光束7经由扩束器2扩束处理后输出扩束后的脉冲激光束；扩束后的脉冲激光束经模板3上的小孔31后，输出具有特定图案后的脉冲激光束；具有特定图案的脉冲激光束射入成像系统4，所述成像系统 4包括沿光路依次设置的第一聚焦透镜41和第二聚焦透镜42，成像系统4进行聚焦处理后输出聚焦后的脉冲激光束；
所述被抛光件竖直设置，被抛光件的前侧设有竖直的透明导流板，透明导流板5的上方设有射流喷嘴8，射流喷嘴8向下喷出抛光液9，抛光液9以接近90度的角度入射到透明导流板5的上方；抛光液9 经过透明导流板5整流处理后，以与被抛光件6的被抛光面10平行的方向向下快速流动，形成抛光液流层；抛光液流层中的抛光颗粒 11的动量方向也主要与被抛光面10平行，因此不具有效的抛光功能。
所述聚焦后的脉冲激光12射入透明导流板5后作用于抛光液流层，此时，被脉冲激光照射区域内的抛光液将吸收激光能量，并将其转换成瞬态热能，导致该区域内的抛光液产生热膨胀，导致抛光液流层在各个方向膨胀，其中沿与激光光束方向平行且垂直于被抛光面方向的膨胀将动能传递给抛光液中的抛光颗粒11，使抛光颗粒11获得一个向被抛光面10方向的动量，并使抛光颗粒11与被抛光面产生碰撞，由于激光脉冲的脉冲时间足够短，因此膨胀将以声波的形式在抛光液流层中向被抛光表面传递，实现有效抛光。抛光的材料去除率主要取决于脉冲能量，脉冲宽度，及脉冲的重复频率，以及模板图形孔的尺寸。因此可以通过控制激光的这些参数及模板的尺寸，有效控制抛光效果。
模板上的小孔可以是任何形状，如圆形，方形，三角形等，扩束后的脉冲激光束照射到模板上形成准直激光光斑32，被脉冲激光覆盖的小孔的图案经过成像系统后被聚焦到抛光区域，脉冲激光能量集中在被聚焦的小孔图案内，只有在脉冲激光覆盖区域内的抛光颗粒会在脉冲能量产生的抛光液热膨胀作用下，产生一个指向被加工面的动量，实现有效抛光。如图2a～b所示脉冲激光将模板图案成像到抛光区域，图案孔为十字形。图3显示在脉冲激光作用下，在抛光区域内产生热膨胀波13的示意图。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.一种实现表面精细结构的抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)向被抛光面供给含有抛光颗粒的抛光液，抛光液通过设置在被抛光面前侧的透明导流板整流，使得抛光液以与被抛光面平行的方向快速流动形成抛光液流层；
(2)将脉冲激光器对准扩束器，脉冲激光器输出的脉冲激光束经过扩束后得到扩束后的脉冲激光束；
(3)将扩束后的脉冲激光束对准模板上的小孔，所述小孔的形状投影到被抛光面，处于该投影区域内的被抛光面能得到有效抛光；扩束后的脉冲激光束经过模板的小孔后得到具有特定图案的脉冲激光束；
(4)将具有特定图案的脉冲激光束对准聚焦透镜组，经过聚焦后得到聚焦后的脉冲激光束；聚焦后的脉冲激光束入射到透明导流板，并在透明导流板的后表面形成一个聚焦光斑；透明导流板后侧的抛光液流层吸收激光脉冲能量在瞬间产生热膨胀，导致抛光液流层在各个方向膨胀，其中，沿与脉冲激光束方向平行且垂直于被抛光面方向的膨胀将动能传递给抛光液中的抛光颗粒，使抛光颗粒获得一个向被抛光面方向的动量，并使抛光颗粒与被抛光面产生碰撞，实现特定区域、特定图案的抛光。
2.实施如权利要求1所述的一种实现表面精细结构的抛光方法的装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的脉冲激光器、扩束器、模板、成像系统、透明导流板和被抛光件；脉冲激光器输出脉冲激光束，脉冲激光束经由扩束器扩束处理后输出扩束后的脉冲激光束；扩束后的脉冲激光束经模板上的图案孔后，输出具有特定图案的脉冲激光束；具有特定图案的脉冲激光束射入成像系统，成像系统进行聚焦处理后输出聚焦后的脉冲激光束；
所述被抛光件竖直设置，被抛光件的前侧设有竖直的透明导流板；透明导流板的上方设有射流喷嘴，射流喷嘴向下喷出抛光液，抛光液以90度入射到透明导流板的上方，抛光液沿透明导流板的后表面形成抛光液流层，抛光液流层与被抛光件的被抛光面平行；所述聚焦后的脉冲激光射入透明导流板作用于抛光液流层。
3.如权利要求2所述的一种实现表面精细结构抛光的装置，其特征在于：所述成像系统包括聚焦透镜组，聚焦透镜组包括沿光路依次设置的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜。
4.如权利要求2所述的一种实现表面精细结构抛光的装置，其特征在于：所述模板上小孔的形状是圆形、方形、三角形、菱形或十字形。
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